Одноцилиндровые паровые машины
В современных паровых машинах пар впускается в цилиндр то с одной, то с другой стороны поршня. Это машины двойного действия. Сделать такую модель довольно трудно, потому что стержень (шток) поршня проходит сквозь одну из крышек цилиндра и нужно все так точно изготовить, чтобы вокруг штока не было щелей, пропускающих пар.
В наших моделях паровых машин пар впускается только с одной стороны поршня. Такая упрощенная одноцилиндровая машина может прекрасно двигать разные модели.
Котел (рис. 78) для нее можно сделать из двух консервных банок. Запаять отверстие банки трудно, и это плохо получается. Лучше сделайте так: от одной банки отрежьте закатанный ободок с той стороны, где она открыта, от другой такой же банки отрежьте дно, оставив бортик шириной примерно 1 см.
Вставьте дно с бортиком в банку с отрезанным ободком, хорошо пропаяйте вокруг — и готов прочный котел.
На крышке его нужно сделать-два отверстия: одно, завинчивающееся пробкой, — для наливания воды, другое — для подачи пара в машину.
Водоналивное отверстие (рис. 79, а) лучше всего завинчивать гнездом от радиоприемника или от старого штепселя. К крышке котла припаяйте гайку гнезда. В головку гнезда впаяйте проволочное кольцо: им будет удобно завинчивать гнездо. Когда будете впаивать кольцо, запаяйте совсем отверстие.
Рис. 78. Фото. Простой котел из консервной банки.
Рис. 79. Пробка водоналивного отверстия (слева) и сухопарник.
На гнездо наденьте свинцовую шайбу толщиной 2—3 мм; ее можно сделать из пломбы, расплющенной молотком. Часто ставят кожаные или резиновые шайбы, но они работают гораздо хуже свинцовых. Свинцовая совершенно плотно закрывает отверстие и служит очень долго. Ее только нужно несколько раз сильно привинтить гнездом, тогда свинец плотно приляжет к гайке.
Если в котел просто впаять трубку для отвода пара, в нее пойдет "мокрый" пар: вода в котле сильно бурлит, брызги влетают в трубку и попадают в цилиндр. Вода быстро расходуется, и машина во время работы брызгает. Лучше сделать иначе: устроить сухопарник, как во всех настоящих котлах.
Спаяйте из жести маленький цилиндр (рис. 79, б) диаметром 25 мм и высотой 30 мм. Цилиндр должен быть прочным. Его крышку нужно не просто приложить и припаять, а сделать иначе: вырезать кружок диаметром па
6 мм больше диаметра цилиндра, надрезать его вокруг на 3 мм, загнуть концы и надеть на цилиндр. Теперь, если припаять крышку, пар ее не сорвет. Сбоку под крышкой впаяйте в цилиндр жестяную трубку диаметром 7—8 мм и длиной 60—70 мм. Цилиндр тоже надрежьте вокруг, разогните "лепестки" и припаяйте его к крышке котла. В котле под цилиндром должно быть отверстие. Через это отверстие пар и брызги, воды попадут в сухопарник, нов трубку им никак не попасть: по ней пойдет только "сухой" пар. Вместо того чтобы спаивать цилиндр, можете припаять к котлу наперсток и вывести трубку из него.
На этом котле предохранительный клапан делать не нужно, если отверстие для впуска пара в машину всегда открыто, котел и так не взорвется.
Рис. 80. Фото. Спиртовка из консервной банки.
Рис. 81. Простой котел со спиртовкой.
Нагревать котел можно разными способами: можно просто ставить на примус или даже на кухонную плиту, если машина должна приводить в движение стационарные — где-нибудь постоянно установленные — модели; если же машина ставится, например, на модель парохода, придется сделать спиртовку (рис. 80); ее можно соорудить так же, как и котел.
От одной консервной банки отрежьте дно с бортиком в 30 мм, а от другой — с бортиком в 10 мм. Широкий бортик надрежьте в шести-семи местах и немного разогните, чтобы можно было вставить второе дно. В этом дне проткните три отверстия диаметром 6—7 мм и вставьте в них жестяные трубки. В трубки заложите вату, и спиртовках готова. Спаивать части спиртовки не нужно — она и так хорошо работает.
Ко дну котла припаяйте три ножки из толстой проволоки (рис. 81). Налейте в котел воды, в спиртовку немного спирта и испытайте, не пропускает ли где-нибудь котел.
Если все в порядке, можете браться за изготовление машины.
Рис. 82. Одноцилиндровая паровая машина.
Общий вид нашей машины показан на рисунках 82 и 83, а схемы действия ее — на рисунке 84. Это машина с золотниковым распределением пара, но золотник не коробчатый, как во многих настоящих машинах, а поршневой. Его сделать гораздо проще, а работает он не хуже.
Пар из котла подается в трубку золотника 1 (рис. 84)
В этой трубке ходит поршенек 2, насаженный на шток 3.
В том положении золотника, которое показано на левом рисунке, пар проходят по коротенькой трубочке 4 в цилиндр 5 и толкает поршень 6. Шатун 7 поршня толкает кривошип 8 вала 9. На вал насажено маховое колесо 10. Вал с колесом поворачивается, и второй кривошип 11 толкает тягу 12. Тяга поворачивает треугольник 13, который толкает шток 3 поршенька золотника.
Рис. 83. Фото. Одноцилиндровая паровая машина.
Если бы не было махового колеса, машина остановилась бы. Но тяжелое маховое колесо разгоняется от резкого толчка шатуна, поворачивается по инерции дальше и, передав движение штоку золотника, передвигает его вправо, закрывая этим подачу пара в цилиндр. Но и теперь машина не останавливается. Маховик заставляет золотник передвинуться еще больше вправо и открыть выход пара из цилиндра (правый рисунок). Кажется, теперь машина обязательно должна остановился. Нет, маховик все еще вращает вал, кривошип 8 передвигает поршень вниз, кривошип 11 тянет тягу 12, поворачивается треугольник 13, и поршенек 2 золотника идет влево. Тут пар из котла снова попадает в цилиндр и снова толкает поршень. Маховое колесо еще сильнее разгоняется, и машина работает без перерыва. Тяжелое маховое колесо смягчает толчки поршня и заставляет вал вертеться довольно плавно.
Самое важное при изготовлении машины — очень точно сделать все части."Если плохо сделан коленчатый вал, например золотник будет не во-время впускать и выпускать пар из цилиндра, машина будет работать еле-еле.
Цилиндр машины (рис. 85, а) сделайте из старого патрона от револьвера "наган". Капсюль выбейте гвоздем изнутри. Патрон внутри хорошенько вычистите самой мелкой шкуркой. Конец патрона немного расширьте: он обычно сужается для пули. Если не найдете патрона, подыщите медную трубку с внутренним диаметром 8 мм и отрежьте от нее 37-миллиметровый кусок. Спаивать цилиндр из жести нельзя: он получается неровным, со швом по всей длине, и поршень плохо ходит в нем.
Рис. 84. Наверху — схема работы одноцилиндровой машины (вид сбоку), внизу — вид машины сверху: 1— трубка золотника, 2—поршенек золотника, 3—шток золотника, 4 — соединительная трубочка^, 5 — цилиндр машины, 6 — поршень, 7 — шатун поршня, 8 — кривошип шла, 9 — вал, 10—маховое колесо, 11 — второй кривошип, 12 — тяга треугольника, 13 — треугольник.
Трубку для золотника лучше всего подыскать готовую. Ее диаметр должен быть 4 мм, а длина — 30 мм. Ее можно спаять самому из кусочка жести длиной 30 мм и шириной 13 мм. Аккуратно сверните жесть на гвозде и спаяйте встык (рис. 85, б).
В середине трубки пропилите круглым напильником отверстие диаметром 3 мм. Это отверстие не обязательно должно быть точно круглым: все равно оно закроется соединительной трубкой. Диаметр соединительной трубки — 4 лш, а длина ее — 5—б мм. Выпилите в ней полукруг, чтобы она точно приходилась к трубке золотника.
Сначала припаяйте соединительную трубку к цилиндру, затем привяжите тонкой проволочкой трубку золотника и медленно припаивайте ее узким паяльником. Если расплавится олово в месте соединения с цилиндром, это не страшно: проволока не даст трубке отскочить.
Когда припаяете, проверьте, не затекло ли олово внутрь золотниковой трубки, и если оно туда попало, осторожно выскребите шкуркой, навернутой на гвоздь.
Поршень цилиндра (рис. 85, в) соберите на тонком гвоздике длиной 10—12 мм. Сначала приготовьте две жестяные шайбочки диаметром 7 мм, полоску жести длиной 10 мм и шириной 3 мм и деревянный цилиндрик диаметром 6 мм. Этот цилиндрик нужно сделать очень точно.
Вырежьте из доски кубик со стороной 8 мм; волокна дерева должны итти по высоте кубика. Проткните его посредине шилом такой же толщины, как и гвоздик, заготовленный для сборки. Когда проткнете, осторожно обрезайте кубик ©округ до тех пор, пока не сделаете из него цилиндрик нужного диаметра. Теперь можете собрать поршень. Наденьте одну шайбу на гвоздик до шляпки, затем наденьте цилиндрик и вторую шайбу. В заготовленной жестяной полоске проткните три отверстия: одно в центре и два по краям. Средним отверстием наденьте ее на гвоздик после второй шайбы и припаяйте. Выступающий конец гвоздя откусите кусачками и загните концы полоски вверх. Получился П-образный хомутик для присоединения шатуна.
Шатун (рис. 85, г) выгните из железной проволоки толщиной 1,5 мм. Длину проволоки рассчитайте так, чтобы, когда загнете оба ее конца петельками, между центрами петелек' получилось 50 мм.
Один конец шатуна вставьте © хомутик поршйя; сквозь дырочки хомутика проденьте кусочек проволоки и слегка припаяйте ее к хомутику. Шатун должен совершенно свободно поворачиваться на оси. Другой конец шатуна наденется при сборке на кривошип 8 вала.
Поршенек (рис. 85, д) золотника собирается сразу на штоке. Отрежьте кусочек полутора миллиметровой проволоки длиной 25 мм. На конец ее наденьте две жестяные шайбочки диаметром 3 мм и припаяйте их к штоку на расстоянии 3 мм одна от другой.
Рис. 85. Детали машины.
Между шайбочками намотайте слоями вату, пропитанную машинным маслом. Намотайте столько ваты, чтобы поршенек довольно туго ходил о трубке золотника; потом, когда он немного поработает, пойдет легче. На расстоянии 17 мм от второй шайбочки загните шток под прямым углом, оставьте коней длиной 3 мм, а лишнюю проволоку отрежьте. Местом сгиба шток соединится с треугольником 13.
Треугольник (рис. 85, е) передает движение штоку золотника под прямым углом к тяге. Это прямоугольный треугольник, вырезанный из жести. Стороны его, образующие прямой угол, имеют длину: меньшая — 24 мм, а большая — 33 мм. В углах сделайте три отверстия; между отверстиями в правом углу и на короткой стороне — 19 мм, а на длинной — 28 мм.
Тяга треугольника (рис. 85, ж) выгибается из такой же проволоки, как и шатун поршня. С одной стороны она загибается петлей, которая наденется на кривошип 11 вала, а с другой стороны просто загибается под прямым углом, как шток золотникового поршенька. Сделайте ее длиной 75 мм, считая от центра петельки на одном конце, но загибать другой конец подождите: это сделаете при сборке машины.
Теперь займемся отливкой махового колеса. Это совсем нетрудно сделать самому. Колеса настоящих машин отливаются из чугуна или стали, но нам придется отлить из свинца, потому что чугун и сталь плавятся только при очень высокой температуре. Форму для отливки можно сделать деревянной.
Выпилите из 5-миллиметровой фанеры пять частей формы, показанной на рисунке 85, з. Прибейте их к какой-нибудь дощечке, чтобы получилось такое углубление, каким должен быть маховик. В центр забейте гвоздик такой же толщины, как и вал машины. Разведите в воде мелко растертый мел или зубной порошок, подбавьте очень немного клея и замажьте этой меловой замазкой все щели формы.
В коробочке от сапожной мази расплавьте пломбы или обрезки свинцового телефонного кабеля. Налейте расплавленный свинец немного выше краев формы. Когда свинец затвердеет, вытряхните маховик. Гвоздик, засевший в нем, покрутите плоскогубцами и выдерните. Опилите маховик напильником и можете надевать на вал.
Коленчатый вал выгибается из 2-миллиметровой проволоки (рис. 85, и). Хороша для него велосипедная спица. Длина вала между кривошипами — 36 мм. Длина кривошипов по 10 мм, а высота колен (плечи кривошипов) разная: для шатуна поршня — 8 мм, а для тяги золотника — 4 мм. Сначала выгните кривошип золотника, затем наденьте на вал маховик и тогда выгибайте второй кривошип. Поверните их один по отношению к другому так, чтобы они образовали прямой угол. Маховик припаяйте к валу у золотникового кривошипа.
Рис. 86. Схема величины хода поршня.
Самая большая скорость, которую может развить машина, зависит от величины так называемого хода поршня: чем большее расстояние проходит поршень в цилиндре, тем тихоходнее машина. При очень маленьком плече кривошипа поршень быстро ходит вперед и назад, а при большом плече поршень проходит большее расстояние и идет медленнее. Но зато при большом ходе поршня сила машины получается большей: ведь плечо кривошипа по отношению к валу является рычагом. Чем больше рычаг- кривошип, тем легче шатуну поршня поворачивать его, значит с тем большей силой шатун вращает вал.
Для этой машины мы выбрали ход, равный 16 мм. Так должно быть при высоте плеча 8 мм (рис. 86). Это как раз хороший ход поршня. Машина получается сильной и такой быстроходной, что на вал ее можно надеть гребной винт какой-нибудь плавающей модели, и он будет вращаться с достаточной скоростью.
Кривошип золотника так рассчитан, что ход поршенька равен примерно 5 мм. Диаметр отверстия, идущего в соединительную трубку, — 3 мм. Значит, поршенек проходит его на 1 мм вправо и влево. Тут взят маленький запас на случай недостаточно точного изготовления всех деталей. Это так называемый расчетный ход. В машине он получается несколько меньшим, потому что петелька тяги немного качается на кривошипе и загнутые концы тяги и штока поршенька немного качаются в отверстиях треугольника.
Теперь можно собрать машину. Обычно в самодельных машинах все части прибивают к деревяшкам, но лучше сделать все опоры из жести. На рисунке 87 даны чертежи жестяных фигур, из которых выгибаются опоры
Рис. 87. Развертки опор.
главного вала А, добавочного вала шкива Б, треугольника В и цилиндра Г. Опоры обоих валов сделаны по форме трапеции. Опора треугольника — трехгранная призма с крышкой в виде четверти круга. Так нужно сделать для того, чтобы треугольник скользил по крышке опоры и не выгибался вниз. Вниз его толкает тяга золотника.
Опоры цилиндра самые простые. Они выгнуты по форме буквы П, или, как говорят техники, имеют сечение швеллерного железа. Все опоры прибиваются гвоздиками к дощечке длиной 120 мм, шириной 90 мм и толщиной 10—12 мм. Дощечку обязательна нужно пропарафинировать, иначе от горячего пара и воды она разбухает, выгибается и нарушает регулировку машины. Сильно нагрейте дощечку и потрите ее кусочком парафина или стеарина от свечи. Парафин расплавится и пройдет во все щели.
Прежде чем прибивать опоры к дощечке, к ним нужно ярипаять все части машины. Где припаять швеллерные опоры цилиндра, видно на рисунке 88, а. В угол крышки трехгранной опоры треугольника впаяйте гвоздик острием вверх (рис. 88, б). Валы, конечно, не нужно припаивать к опорам, надо припаять подшипники.
Рис. 88. Готовые опоры.
Лучше всего сделать подшипники из медной звонковой проволоки диаметром 0,8 мм или 1 мм. Оберните кусочек проволоки вокруг вала четыре-пять раз, и подшипник готов (рис. 88, в). Он очень хорошо держит смазку в углублениях между витками проволоки и так просто изготовляется, то проще уже нельзя придумать. Хорош он еще и тем, что когда отверстие его увеличится от работы и вал станет болтаться, подшипник легко переменить, не разбирая машины: отпаять его с опоры, развернуть проволоку, навернуть новый кусочек, припаять—и все. Такие подшипники очень удобно ставить на все модели.
Прежде чем навертывать на вал подшипники, наденьте около маховика жестяную шайбочку, а около сгиба вала — два проволочных кольца, иначе сгиб вала будет заскакивать в подшипники. Одно кольцо, ближайшее к сгибу вала, припаяйте. Наверните на вал подшипники и можете припаивать их. Здесь задача — так припаять подшипники к опорам, чтобы не спаять их одновременно с валом. Натри* те вал графитом черного карандаша, слегка смажьте опоры паяльной жидкостью, раздвиньте подшипники на их места и припаяйте. К валу, покрытому графитом, олово не пристанет.
Когда припаяете оба подшипника, поверните вал несколько раз в одну и другую стороны, чтобы он пошел свободно. Олово быстро стирается, и сперва туго вращающийся вал скоро пойдет легко.
Можете пока не укреплять добавочный вал со шкивом, а собрать и испытать машину. Поставьте на дощечку опору с главным валом. Кривошип золотника должен быть сверху или снизу, а кривошип шатуна точно горизонталь* но. Наденьте на большой кривошип шатун поршня и поставьте на дощечку цилиндр с припаянными опорами. На меньший кривошип наденьте тягу золотника, поставьте опору треугольника, наденьте треугольник на ось и соедините с ним загнутый конец штока поршенька.
Все опоры нужно расставить так, чтобы шатун поршня пришелся посредине пальца кривошипа и точно под прямым углом к нему. Поршенек золотника передвиньте в центр трубки (в этом положении он закрывает отверстие соединительной трубки), опору треугольника поставьте так, чтобы длинная сторона его была точно параллельна валу машины. В этом положении тяга золотника должна стать под прямым углом к валу-машины, немного ближе к плечу кривошипа, чем к концу его (рис. 89). Когда правильно установите все части машины, маленькими гвоздиками прибейте опоры к дощечке.
Не забудьте, что должно остаться место для установки опоры с добавочным валом, видным на рисунках 82 и 83.
По обе стороны петелек шатуна и тяги наденьте кольца, свернутые из медной проволоки. Такие же кольца наденьте на загнутые концы тяги штока поршенька (под треугольником) и сверху на ось треугольника. Теперь можете отрегулировать машину.
Снимите петельку шатуна поршня с кривошипа и вдвиньте поршень примерно до середины цилиндра. На паровпускное отверстие (трубка золотника) наденьте резиновую трубку, другой конец резиновой трубки возьмите в рот и резко дуньте. Если поршень вылетит из цилиндра, значит отверстие в соединительную трубку не было закрыто поршеньком золотника. Передвиньте поршенек чуть- чуть вправо и снова резко дуньте. Проделайте это несколько раз, до тех пор, пока поршень не перестанет выскакивать из цилиндра.
Рис. 89. Схема сборки одноцилиндровой машины.
Теперь есть полная уверенность в том, что поршенек золотника закрывает отверстие в соединительную трубку. Отведите поршенек очень немного назад, чтобы снова чуть-чуть приоткрылось отверстие. Проверьте это, подув в трубку, и заканчивайте сборку.
Наденьте шатун поршня на кривошип, поставьте этот кривошип горизонтально (кривошип золотниковой тяги станет вертикально) и в этом положении загните конец тяги золотника под прямым углом, точно над отверстием треугольника. Лишний конец тяги откусите и наденьте на нее под треугольником проволочное кольцо. Еще лучше надеть на тягу и на шток золотника по два кольца с обеих сторон треугольника; эти кольца не дадут сгибам тяги и штока заскакивать в отверстия треугольника.
Можете пробовать работу машины. Налейте в котел воду, в спиртовку спирт, зажгите и дайте воде закипеть. Все трущиеся части машины смажьте маслом. С помощью резиновой трубки соедините трубку котла с трубкой золотника и поверните маховик. Машина должна сразу заработать. Сейчас же после сборки она идет медленно, с остановками, потому что туго движутся поршни, но очень скоро вал развивает полную скорость.
Если машина не пошла, снимите трубку паропровода и, вращая маховик, проверьте, правильно ли работает золотник. Проверьте правильность его работы при вращении маховика в разные стороны. Может быть, все дело лишь в том, что при первом пуске вы толкнули маховик не в ту сторону. Очень редко бывает, что машина отказывается работать. Правда, здесь может быть еще одно обстоятельство: котел дает мало пара. Попробуйте зажать плоскогубцами на одну-две минуты резиновую соединительную трубку, идущую от котла к машине, и накопить пар в котле, затем отпустите плоскогубцы и одновременно подтолкните маховик. Если все части сделаны правильно, машина обязательно пойдет.
Рис. 90. Добавочный вал.
Когда проверите работу машины, можете сделать добавочный вал (рис. 90). Он выгибается из двухмиллиметровой проволоки и сделан отдельно, потому что иначе трудно соединить его с валом. Так золотниковый кривошип вращает загнутый конец добавочного вала, и если даже этот вал неточно совпадает с валом машины, кривошип незаметно передвигается в загнутой части и совсем не тормозит. Очень выгодно делать именно такое "нежесткое" соединение.
Диаметр шкива можете взять примерно 15—20 мм, а если ставите машину на модель винтового парохода, сделайте добавочную ось длинной и просто на конец ее припаяйте гребной винт.
При пуске пара эта машина не всегда начинает сама работать. Конечно, если вал стоит в таком положении, как показано на правой части рисунка 84, и пар совсем не попадает в цилиндр, машина не может пойти. Но даже если вал стоит в таком положении, как вы видите в левой части рисунка 84, все равно нужно толкнуть вал. В таком положении хоть пар и давит на поршень, но шатун поршня прямо упирается в кривошип и не может сдвинуть его. Такое положение называется мертвой точкой. Достаточно немного повернуть вал, и шатун сам сможет толкнуть кривошип.
Во время работы машины маховое колесо выводит вал из мертвых точек. Можете запомнить, в каком положении вала происходит впуск пара в цилиндр, и тогда, если установите его предварительно, как только пустите пар, машина сразу заработает без подталкиваний.
Рис. .91. Вертикальная одноцилиндровая машина.
Рис. 92. Разрез вертикальной машины.
На описанном простейшем котле нет крана-вентиля.
Вместо вентиля можно просто зажимать плоскогубцами резиновую трубку паропровода. Очень хорошо идет машина, если зажать не надолго трубку, а затем сразу открыть ее, как мы делали при испытании машины. Пар с большой силой толкает поршень, вал машины моментально срывается с места и идет полным ходом.
Бывает, что в модели нет места для установки горизонтальной паровой машины. Тогда можно сделать ее вертикальной. И настоящие паровые машины часто делают такими.
На рисунках 91 и 92 показаны общий вид и разрез одноцилиндровой вертикальной паровой машины, собранной почти из тех же частей, что и горизонтальная; изменена только фигура коленчатого вала и иначе сделаны опоры всех частей.
Добавочный вал для шкива здесь совсем не нужен, так как один конец вала не имеет кривошипа, и шкив можно насадить сразу на вал машины.
На рисунке 93, а дан чертеж жестяной фигуры.
Рис. 93. Опора цилиндра, кронштейн золотника в основание одноцилиндровой машины.
Две такие части спаиваются вместе и образуют опору цилиндра. Треугольник укрепляется на жестяных кронштейнах, припаянных к цилиндру. Размеры кронштейна даны на рисунке 93, б. Верхние кромки кронштейна загнуты. Это сделано для того, чтобы придать им большую "жесткость".
Ось треугольника, передвигающего поршенек золотника, должна быть припаяна не к опорам-кронштейнам, а к самому треугольнику. Между ним и кронштейнами нужно заложить проволочные кольца.
Вся машина собирается на пропарафинированной деревянной дощечке длиной 105 мм и шириной 90 мм, с тремя вырезами для маховика и кривошипов вала (рис. 93, в). Три подшипника вала (проволочные спирали) припаиваются к полоскам жести 10 X 15 мм, которые прибиваются к дощечке. Размеры вала даны на рисунке 92. С наружных сторон крайних подшипников на вал припаиваются проволочные кольца; они не дают ему болтаться из стороны в сторону. Такие же кольца нужно припаять по обе стороны петелек шатуна и золотниковой тяги.